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姚铎俟教育

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再议“欧姆表”内部电路结构和换挡原理  

2014-04-27 07:06:49|  分类: 教学科研 |  标签: |举报 |字号 订阅

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写在前面:下面教研论文已经发表于2014年第3期《湖南中学物理》杂志上。若引用论文观点或部分内容,请在参考文献中注明:刘大明,再议“欧姆表”内部电路结构和换挡原理,湖南中学物理,2014,( 3):29-30。

再议“欧姆表”内部电路结构和换挡原理

刘大明

摘要:人教版普通高中课程标准实验教科书中给出的多用电表的示意图多有误导。在指出三个极容易误导之处的基础上,给出了正确的欧姆表简化模型示意图,并对教学中常见疑问做了重新释疑。最后得出启示:教材编写者和一线教师,有必要准确了解欧姆表内部电路结构和换挡原理,才能正确理解欧姆表的使用方法,并指导学生养成良好的实验习惯。

关键字:欧姆表、电路结构、换挡原理、原理图

 

“欧姆表”在高中物理实验教学中不是一个独立的电学测量仪器,而是镶嵌在多用电表(也称万用表)之中,是多用电表的主要功能之一。由于欧姆表的电路结构和换挡原理较复杂,学生不易理解,部分教师对此也有不少疑问。 

特别地,人教版普通高中课程标准实验教科书《物理(选修3-1)》(2010年4月第3版)第65页图2.8-5给出了多用电表的示意图(图1),着实令学生,乃至一线教师产生不少疑惑:多用电表内部到底有几个电池?欧姆表的多个倍率到底是怎样实现的?欧姆调零按钮有几个?……等等。

再议“欧姆表”内部电路结构和换挡原理 - 姚铎俟 - 姚铎俟教育 

图1                                      

一、教科书多量程多用电表示意图是否有错

笔者在文献2中指出,图1存在错误;而于子田在文献3却认为图1是正确的。那么图1是否有误呢?笔者查看了JO411A型、MF79型两种类型万用表的电气原理图,经过解读+综合分析,还原为高中物理常见形式的简易电路图如图2所示。

 

再议“欧姆表”内部电路结构和换挡原理 - 姚铎俟 - 姚铎俟教育

 

        图2

图2中,短划线框内为表头部分。点划线框内为欧姆表×1K、×100、×10、×1四个倍率,它们共用一个1.5V的电源,低倍率通过与×1K倍率“中值内阻”(欧姆调零时略有变化)并联一个更小的电阻来实现。注意到:两种类型的万用表都有这个部分,而且此部分电路结构完全类同;但是JO411A型万用表只有这四个倍率,因此只需内置一个电源即可;而MF79型万用表还有×10K倍率,这个倍率如图2长划线框内表示,是一个“独立”部分,“独立”使用一个15V(有的是9V)的电源。

综上分析,本文也认为图1没有错,但多有误导。可能使学习者产生以下疑惑:①有多少个倍率,就有多少个电源。这是不切实际的,笔者在文献2对此作了拓展分析。②各倍率之间相互独立,分别与表头串联使用。果真如此,那么为了共用同一表头,必定需要使用不同的电源;③不同倍率将使用不同的欧姆调零按钮,但是常见万用表都只有一个欧姆调零按钮。根据图2,调零电阻只有一个,都是通过调节RT来实现。

下文再根据图2多量程欧姆表原理图,对教学中常见疑问作释疑。

二、图2出现了两个换挡开关是否有误

经查验,在工艺上,两个换挡开关通过一个换挡元件就能实现:当选用×10K时,S2接长划线框部分,点划线框部分断路;当选用其它倍率时,S2接点划线框部分,而×10K部分电路断路。

三、为什么“×10K倍率”要独立开来

从理论上讲,如同点划线框部分一样,可以使得更低倍率通过与×10K倍率“中值内阻”并联一个相应的更小电阻实现。但是,从实际能耗角度来分析,如此设计,使用低倍率时,耗电量更大。原因是,欧姆表内总电阻主要由并联的小电阻决定,加上电源电动势更大,使用低倍率时,工作电流非常大,耗电量也就会剧增,于当今提倡的“节能减排”理念相悖。另外,耗电量过大,电源的使用寿命将大大缩短。实际上,如此设计,电源电压很快就会降低到一个极限限度,从而超过调零电阻的调节范围,最终出现频换电源的麻烦,也导致极大的能源浪费。

顺便指出,就是针对点划线框部分,使用×1倍率时,工作电流也较大,只宜于短时间内间歇使用,以延长五号电池使用寿命。

四、内置电池有否严格要求

这个问题实际上对应于教学中一个最常见的疑问:换倍率时,经常看到指针大幅度偏转,超过表头的满偏电流,乃至听到“咔嗒”声音,此时会不会损坏表头呢?一般地,损坏表头有两个方面:其一,通过线圈的电流过大,线圈安培力矩过大,导致指针碰撞时弯折;其二,当指针满偏(或超过满偏)后,指针不动时间太长,导致线圈产热过大而烧坏。为了避免这两个可能问题,对内置电池自然有较为严格的要求。一般地,只要内置电池不超过标称值,指针应该抵御由于碰撞带来的弯折损害,否则是劣品;保证不损害指针的情况下,欧姆“调零”操作要灵活些,一旦“调零”成功应立即断开短接表笔。

对于有两个内置电池的万用表,高电动势电池绝不能安装于低电动势电池盒中,否则极容易损害表头;当然,低电动势电池安装在高电动势电池盒中,虽然不会烧坏表头,但低于了欧姆表的极限限度,超过了调节范围,从而不能正常使用。

总之,严格按照多用电表说明要求,正确安放内部电池并规范操作时,既不用担心损坏表头,也能保证欧姆表正常使用。

顺便指出,图二中的R、Rs对灵敏表头也起到一定保护作用。

五、待测电阻无法估测时,先使用高倍率还是低倍率

使用电表测量待测电学量时,一般先要对待测量进行估计,然后选择适宜量程或倍率进行测量,这是一个良好习惯。但是,如果待测量无法估计,又将如何?一般地,测量电流或电压时,应该选用大量程试测,尽量避免超过满偏恐使指针弯折。然而,前述四分析可知,使用欧姆表测量电阻时,只要内置电池不超过标称值,那么无需担心指针弯折现象。是不是说,待测电阻无法估计时,可以选用任意倍率进行试测呢?从不损害电表原则来说,回答是肯定的。但是,根据前述三、四分析可知,使用低倍率时(欧姆调零和测量过程),工作电流很大,能耗巨大。因此,从延长电池使用寿命角度来看,先采用×1K倍率试测最为合理,若指针偏转太小,再更换×10K倍率测量;若指针偏转太大,视具体读数,更换最适宜低倍率再测量。

六、结论与启示

高中物理教学对多用电表的使用要求较高,但并不要求学生理解欧姆表的电路结构和换挡原理。但是作为教材编写者和一线教师,有必要准确了解欧姆表的电路结构和理解其换挡原理。因为:一方面可以更好地理解多用电表使用时的相关注意事项;另一方面也能更好地指导学生养成良好的实验习惯。

 

参考文献

[1]普通高中课程标准试验教科书《物理(选修3-1)》[M].北京:人民教育出版社,2012

[2]江秀梅,刘大明.欧姆表内部电路结构和换挡原理的分析[J].物理教学探讨,2013,(8):62

[3]于子田.“欧姆表”教学中必须知道的四个问题[J].中学物理教学参考,2013,(10):25

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